Elektromágneses hullámok - Energiaspektrum
Amikor látunk valamit, rádiót hallgatunk, televiziót nézünk, röntgen felvételt készítenek rólunk, szoláriumot, mikrohullámú sütőt használunk, stb., az elektromágneses hullámok külömböző formáit, ugyanazt az alapvető energiaformát hasznosítjuk.
Az elektromágneses sugárzás gyorsan változó elektromos és mágneses mezőből (erőtérből) áll. A hullám minden pontjának van elektromos és mágneses mezője. Ezek merőlegesek a hullám haladási irányára. A hullám mentén mindkét mező erőssége növekszik és csökken. Az elektromos és mágneses mezőben egyaránt két hullámhegy közötti távolság a sugárzás hullámhossza. A hullámhegyek másodpercenkénti ismétlődése adja a hullám frekvenciáját, ezt hertzben (Hz) mérik, ez a másodpercenkénti rezgések száma.
Az ábrán látható elektromágneses hullám mágneses mezője vízszintes, elektromos mezője függőleges. Az erőterek iránya általában változó, de mindíg merőleges a sugárzás irányára.
Az elektromágneses
hullámok úgy terjednek mint a vízbe dobott kő mellett keletkező hullámgyűrű,
de terjedésükhöz nincs szükség közegre, és sebességük
vákuumban megközelíti
a másodpercenkénti
300.000 km-t (fénysebesség),
vagyis egyetlen másodperc
alatt hét és félszer kerülnék meg az egyenlítőt, alig több mint 1,2 másodperc
alatt a Holdra érnek
és Napból is ideérnek
kb. 8,5 perc alatt.
Anyagban (levegőn, vizen, átlátszó anyagokon keresztül) lassabban haladnak.
Elektromágneses sugárzások különböző molekuláris folyamatokban keletkeznek (a hullámhossztól függően).
Minden sugárzás meghatározott nagyságú energiakvantumokat szállít. Tehát a
sugárzás részecskék, ("energiacsomagok") áramlásának is tekinthető.
Az elektromágneses sugárzás kvantumait fotonnak nevezik, minél rövidebb a sugárzás
hullámhossza, annál nagyobb a foton energiája.
Az alábbi ábra a teljes elektromágneses spektrumot mutatja. Alul a hullámhosszak
láthatók méterben.
Az ábrán jól látszik mennyire kicsi az a tartomány, amit az emberi szem érzékel
különböző színű fény formájában.
Az ábra nem igazán érzékelteti, hogy mennyire kis hányadát érzékeli szemünk a teljes elektromágneses spektrumnak. Ha a teljes spekrum olyan hosszú tartomány, mint az USA szélessége, akkor a látható rész 100 nanométer!
Hullámhossz (m) | Frekvencia (Hz) | Molekuláris folyamat | Jellemzők | Alkalmazás | |
gamma sugarak | 10-12 alatt | 1024 - 1020 | maghasadás | legnagyobb energiájú | sugárterápia |
röntgen sugarak | 10-11 -10-8 | 1017 - 1020 | elektronionizáció belső héjakról | nagy energiájú | diagnosztika |
ultraibolya sugárzás |
10-8 -10-7 |
1015 - 1017 |
vegyértékelektron-átmenetek, Rydberg-elektronátmenetek |
jelentős energia | barnulás, analitika |
Ezeket a sugarakat a légkör (ózonréteg) szerencsére nem engedi a Föld felszínére, különben a szárazföldön nem létezhetne élet, mert a szerves anyagokat ezek a nagy energiájú sugarak tönkreteszik. Az UV sugarak hosszabb tartománya eléri a földfelszínt.
Az UV sugarakat követik a még nagyobbhullámhosszúságú látható fénysugarak az ibolyától a vörösig, ahogyan a vízcseppeken megtörő napfény által keltett szivárványban láthatók.
A látható fénysugarak vegyértékelektron-átmenetek során keletkeznek.
A látható elektromágneses sugarak (fény) hullámhossz és frekvencia tartománya az alábbi táblázatban látható:
Szín |
Hullámhossz |
Frekvencia |
Vörös |
620-760 |
400 000 |
Narancs |
570-620 |
500 000 |
Sárga |
550-570 |
535 000 |
Zöld |
470-550 |
600 000 |
Kék |
440-470 |
650 000 |
Ibolya |
380-440 |
750 000 |
A látható vörös fénynél
nagyobb hullámhosszúságuak
az infravörös sugarak,
frekvenciájuk 3.000
és 400.000 GHz közötti.
Tartomány |
Hullámhossz |
Frekvencia |
Molekuláris folyamat |
Jellemzők, |
Alkalmazás |
távoli |
10-6 -10-5 |
1017 |
lágy (nagy amplitúdójú) rezgési átmenetek |
nagyobb energia
|
passzív hőkép |
infravörös sugárzás |
10-5 -10-4 |
1016 |
alap (fundamentális) rezgések |
közepes energia
|
telekommunikáció távirányítók |
közeli infravörös sugárzás |
10-4 -10-3 |
1015 |
rezgési felhang átmenetek |
üvegen kissé gyengül
|
éjellátó szemüvegek |
Elérkeztünk a különböző rádióhullámok tartományába. (Hullámhossz: 10-3 - 108 m). Ezeket (a hullámhossztól függően) a magspin orientáció mágneses térben (NMR), illetve a molekulák forgási átmenetei keltik.
Hullámsáv |
Hullámhossz |
Frekvencia |
Jellemzők, alkalmazás |
|
Mikrohullám (MW) |
SHF |
10-3 - 10-1 |
1015 - 1012 |
távközlési átjátszó adók (relék), műholdas kommunikáció, a radarok, mikrohullámú sütők (2,5 GHz), távközlési műholdak (10-12 GHz) |
EHF
|
(30-300 GHz) | |||
Ultrarövidhullám (URH) | UHF | 10-1 - 100 | 300 MHz - 3 GHz | TV, a repülőgép-navigáció, a mentő, taxi, vezeték nélküli telefon, URH-rádió (88-108 MHz), garázsajtónyitó, riasztó (40 MHz), űrállomás (145 és 437 MHz), mobiltelefon (900, 1800 MHz), GPS (1227 és 1575 MHz), TV UHF-sáv (470-790 MHz), műholdak (2500-2655 MHz). Kijutnak a világűrbe, nem verődnek vissza |
VHF | 100 - 101 | 30-300 MHz | ||
Rövidhullám (SW) | HF |
101 - 102 | 3-30 MHz | műsorszóró rádiózás (rövid hullám), tengeri navigáció, CB-rádiózás
(27 MHz). A 30 MHz alatti hullámok visszaverődnek az ionoszféráról. |
Középhullám | MF | 102 - 103 | 300 kHz - 3 MHz | középhullámú adók |
Hosszúhullám (LW) | LF | 103 - 105 | 30-300 kHz | Etalonfrekvencia
órákhoz, tengeralattjáró-kommunikáció,
műsorszóró rádiózás Terjedésük a Föld görbületét követi |
VLF | 3-30 kHz | |||
RF | 105 - 106 | 3 - 300 kHz | ||
ELF | 106 - 107 | 30-300 Hz |
Ipari frekvencia (50 Hz) |
A teljes elektromágneses spektrum hullámhossza 10-16 és 108
méter közötti tartományt ölel fel!